CN204119175U - 一种基于pcb工艺的超宽带微波功率放大器模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于PCB工艺的超宽带微波功率放大器模块，包括载板和微波PCB，该载板上焊接有钨铜合金片，该钨铜合金片13上焊接有功率管芯；所述微波PCB中部设置有安装槽，微波PCB上布置有管芯的输入匹配电路、管芯的输出匹配电路，微波PCB还布置有输入匹配电路与其它微带电路之间电连接的第一过渡连接线和输出匹配电路与其它微带电路之间电连接的第二过渡连接线；所述钨铜合金片和功率管芯安放在安装槽内；功率管芯与微波PCB上的电路导体带通过键合金丝或金带连接。本实用新型成本低廉，安装方便，产品性能优良，具有较强的市场竞争优势。

Description

一种基于PCB工艺的超宽带微波功率放大器模块

技术领域

本实用新型涉及放大器，特别涉及一种超宽带功率放大器模块。

背景技术

为了消除半导体封装寄生参数影响半导体管芯的可匹配带宽，超宽带射频功率放大器中作为源部件的管芯都必须使用没有封装的裸管芯，与之对应的常规电路工艺则是单片集成或混合集成电路工艺。

单片集成电路工艺由于所有有源和无源元件均集成在同一块半导体介质基片上，无需使用金丝或金带来完成有源电路与无源电路之间的互联，也就彻底消除了因为金丝或金带引入寄生参数而牺牲管芯的可匹配带宽及产生性能离散性的问题，因此单片集成电路工艺在带宽方面具有绝对的优势。然而单片集成电路中无源电路要占用很多的昂贵半导体基片面积，同时单片电路的开发成本要远远高于其它微波工艺，因此除非是具有批量应用的场合，单片集成电路工艺在成本上没有优势，而很多的非民用功率放大器应用恰恰就具有小批量的特点，因而并不适合采用单片集成电路工艺来实现。

混合集成工艺的做法是有源元件使用未封装的半导体管芯，无源电路由陶瓷薄膜电路加上一些分离无源元件构成，使用金丝或金带来完成有源电路与无源电路之间的电气互联。其工艺过程通常是首先使用具有400℃熔点的金锗合金焊料共晶焊接薄膜电路到高导热率、低热膨胀系数的镀金金属载板上，然后使用具有280℃熔点的金锡合金焊料共晶焊接管芯到同一金属载板上。这种工艺由于可以先高温共晶焊接无源电路，后低温共晶焊接功率管芯，因此焊接管芯时可以对照薄膜上的电路对管芯准确定位，工艺操作上非常方便。

发明人在实现本专利的过程中发现其具有如下缺点：陶瓷薄膜电路相当高的制造价格限制了混合集成工艺在价格敏感场合的应用；同时由于陶瓷材料本身具有易碎的性质，对结构加工精度的要求很高，这就更进一步增加了这种工艺的成本。

发明内容

鉴于此，本实用新型目的在于提供一种明显降低生产成本的同时保证产品性能的超宽带微波功率放大器模块，功率放大器模块简称功放模块，通过PCB工艺来生产得到。

为解决以上技术问题，本实用新型提供的技术方案是，提供一种基于PCB工艺的超宽带微波功率放大器模块，包括载板和微波PCB，该载板上焊接有钨铜合金片，该钨铜合金片13上焊接有功率管芯；所述微波PCB中部设置有安装槽，微波PCB上布置有管芯的输入匹配电路、管芯的输出匹配电路，微波PCB还布置有输入匹配电路与其它微带电路之间电连接的第一过渡连接线和输出匹配电路与其它微带电路之间电连接的第二过渡连接线；所述钨铜合金片和功率管芯安放在安装槽内；功率管芯与微波PCB上的电路导体带通过键合金丝或金带连接。

优选地，所述载板为镀金的纯铜平板。

优选地，所述载板上加工有4个通孔。

优选地，所述功率管芯衬底背面为整体镀金层，正面有镀金焊盘。

优选地，所述载板与钨铜合金片通过金锗合金焊片共晶焊接。

优选地，所述钨铜合金片与功率管芯通过金锡合金焊片共晶焊接。

优选地，所述钨铜合金片为矩形。

优选地，所述安装槽为矩形槽，该矩形槽的每个角上设置有圆弧外扩孔。

优选地，所述微波PCB的两端延伸到载板外，微波PCB延伸出载板边沿以外的部分电路上有4个金属化过孔。

进一步地，还包括腔体，载板通过载板压紧螺钉紧固在腔体上，微波PCB通过PCB压紧螺钉紧固在腔体上；载板侧壁与腔体之间预留有配合间隙。

与现有技术相比，上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点：

1、用掺有陶瓷的微波介质材料如RO4350B通过微波PCB工艺加工的PCB替换混合集成工艺使用的陶瓷薄膜电路可以大大降低无源电路本身的制造成本，同时这一类微波PCB板材具有很高的硬度，能够保证键合金丝或金带的可靠性。然而由于微波PCB不能承受280℃的高温共晶焊接温度，因此工艺步骤必须改变为先高温共晶焊接功率管芯到金属载板、后常温粘接微波PCB到金属载板。这种工艺步骤的改变对于本领域技术人员来说非常容易实现。微波PCB代替薄膜电路的一个额外优点是PCB不像陶瓷那么硬且易碎，所以在处理电路之间的互联方面，PCB更加灵活、方便，而且成本非常低廉。

2、载板的结构外形非常简单，共晶焊接管芯的位置无需加工出凸台形状也无需在加工载板时划定位线，这样可以保证载板本身具有最大的通用性，便于实现标准化、序列化、模块化，并可以通过大批量加工降低加工成本。

3、载板由纯铜制成，铜本身具有很高的导热率，钨铜合金具有高的导热率同时又具有和半导体相匹配的热膨胀系数，两者的结合保证了功放管芯产生的热能及时传导至载板的底面，同时避免高温共晶焊接过程产生过大的热应力损坏管芯，保证管芯长期工作时的可靠性。

4、利用微波板材具有一定柔性的特点，设计PCB使得装配完成后PCB往载板两端各延伸出一段过渡微带电路，然后用螺钉压紧延伸出载板的那一段PCB背面铜箔与腔体的底面，通过机械压力使PCB背面导体与腔体底板接触良好，这样可以保证模块与其它电路微带地电流的连续性，同时功放模块的安装和拆卸也很方便。

5、功放模块的载板底面与腔体的接触面只是导热面不是导电面，因此可以方便地使用各种绝缘导热界面材料来改善接触面的热阻而不会导致电性能受到影响。

6、功放模块只使用螺钉进行安装，微带地不需要焊接连接，因此拆卸和安装都很方便；微带导体与其它PCB电路之间的电气连接又可以使用普通焊锡工艺完成，因此成本非常低廉。

附图说明

图1是本实用新型一较佳实施例超宽带微波功放模块的主视结构示意图。

图2是图1的仰视图。

图3是图1中A的局部放大图。

图4是本实用新型另一较佳实施例超宽带微波功放模块的主视结构示意图。

图5是图4中B-B剖视图。

图中：1功放模块、11载板、111通孔，112载板压紧螺钉、12微波PCB、121金属化过孔、122输入匹配电路版图、123输出匹配电路版图、124安装槽、125第一过渡连接线、126第二过渡连接线、127PCB压紧螺钉、13钨铜合金片、14功率管芯、15键合金丝或金带、2腔体、21配合间隙、3外接PCB、4连接金属片。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例进行说明。

实施例1

参见图1至图3。本实施例所描述的超宽带微波功率放大器模块，简称功放模块，基于PCB工艺技术。本实施例中功放模块包括载板11、微波PCB12、钨铜合金片13和功率管芯14四个主要部件。

载板11为镀金的纯铜平板，其上加工有4个通孔111。这四个通孔111用于穿过载板压紧螺钉112，方便载板的安装。载板11使用导热率非常高的纯铜，因此能够把钨铜合金片13传导来的热很快扩散到载板底部与腔体的结合面。这样的两种材料组合使得功放管芯的结温不至于太高，可以保证其长期工作的可靠性。同时由于载板11和钨铜合金片13都是平面结构，加工比较简单，降低了加工成本，同时也便于批量生产。

微波PCB12为使用微波PCB工艺加工的镀金微波PCB板，板材材料为掺有陶瓷的聚四氟乙烯微波材料如RO4350B或RO4003C等，厚度等于或近似等于钨铜合金片13与功率管芯14的叠加厚度。作为优选，PCB板材使用厚度为0.254mm以下的RO4350B，一方面RO4350B有足够的硬度，因此金丝或金带键合功放管芯到PCB时的质量有保证，另一方面RO4350B又有一定的柔韧性因此允许有一定的变形，相对于陶瓷片这一优势被用来实现模块到其它微带电路的互联，可以很好地保证微带接地面的连续性。

微波PCB 12延伸出载板11边沿以外的部分电路上有4个金属化过孔121，PCB压紧螺钉穿过该孔，压接PCB的背面微带地导体与腔体表面。微波PCB12上布置有122输入匹配电路版图，也就是管芯的输入匹配电路版图，不同的管芯和电路设计这部分版图各不相同。微波PCB12上还布置有输出匹配电路版图123，即管芯的输出匹配电路版图，不同的管芯和电路设计这部分版图各不相同。结合钨铜合金片形状，在微波PCB12上设置有安装槽124。由于钨铜合金片的加工比较困难，因此设计时总是尽量简化钨铜合金片形状，如设计为矩形，不含倒角。作为对策，在加工方便的安装槽124内的每个角上设置有圆弧外扩孔，如留出3/4圆弧段以匹配钨铜合金片的形状。安装槽124设置在微波PCB板的中部。

微波PCB12还布置有输入匹配电路122与其它微带电路之间电连接的第一过渡连接线125和输出匹配电路123与其它微带电路之间电连接的第二过渡连接线126。

载板11上焊接有钨铜合金片13，该钨铜合金片13上焊接有功率管芯14，所述钨铜合金片13和功率管芯14安放在安装槽124内。功率管芯14与微波PCB12上的电路导体带通过键合金丝或金带15连接。

钨铜合金片13为表面镀金的钨铜合金薄片，其外形应设计为矩形以降低线切割加工的难度。功率管芯14为整个模块的关键器件，其衬底背面为整体镀金层，正面有镀金焊盘，管芯表面可能有空气桥这样的精细电路结构，因此芯片表面除焊盘部分外绝对不允许与硬物接触。钨铜合金导热率高而且热膨胀系数与半导体材料接近，这保证了共晶焊接管芯时功放管芯不会因为过大的热应力被拉裂，同时管芯工作时产生的热能够有效通过钨铜合金片13扩散到载板11。

键合金丝或金带15连接功率管芯14的正面焊盘与微波PCB 12上的电路导体带，使用微电子键合设备来完成电气连接。

载板11与钨铜合金片13通过金锗合金焊片共晶焊接。更具体操作是：将载板11加热到400℃左右，然后在载板11上放金锗合金焊片，待金锗合金焊片熔化后将载板11与钨铜合金片13共晶焊接在一起构成载板-钨铜合金片组合体。金锗合金层具有很高的导热率因此钨铜合金片13与载板11之间的界面热阻很低。

钨铜合金片13与功率管芯14通过金锡合金焊片共晶焊接。更具体操作是，将载板-钨铜合金片组合体加热到280℃左右，然后在钨铜合金片13上放金锡合金焊片，待金锡合金焊片熔化后将功率管芯14与钨铜合金片13共晶焊接在一起构成载板-钨铜合金片-功率管芯组合体。金锡合金层具有很高的导热率，因此功率管芯14与钨铜合金片13之间的界面热阻很低。

将载板-钨铜合金片-功率管芯组合体的载板11上表面均匀涂抹导电胶，然后将微波PCB 12的安装槽124对准钨铜合金片13套入并用夹具夹紧PCB1 2与载板-钨铜合金片-功率管芯组合体，放入烘箱内进行烘干。

通过上述材料和步骤即完成功放模块1的组装。

实施例2

参见图4至图5。本实施例所描述的超宽带微波功率放大器模块，包括实施例1所述的功放模块1，还包括腔体2。载板11通过载板压紧螺钉112紧固在腔体2上，微波PCB12通过PCB压紧螺钉127紧固在腔体2上；载板11侧壁与腔体2之间预留有配合间隙21。

载板压紧螺钉112穿过过载板11的4个通孔111将功放模块1的载板底面与腔体2紧密压接在一起，保证载板底面与腔体结合面具有低热阻。功放模块1的侧面与腔体2的开槽的侧面为间隙配合，以方便功放模块1的安装和拆卸。

PCB压紧螺钉127穿过PCB 12的4个金属化通孔121，将功放模块1的PCB背面铜箔与腔体2紧密压接在一起，保证PCB背面铜箔与腔体结合面具有良好的电接触。

用宽度合适的连接金属片4连接功放模块1的引出微带线及外接PCB 3的微带线，使用180℃左右熔点的低温锡铅焊料，用普通烙铁焊接连接金属片4的两端，由于模块的电气连接不使用金丝或金带键合工艺，所以焊接操作不会受到腔体尺寸的限制，而且不需要微电子设备和熟练的操作人员，大大降低了安装成本。

微带电路的地电流连续性得到了保证，因此载板的底面只作为功放管芯的散热通道，这样只需要将功放管与腔体底面用螺钉压接在一起，以把功放管释放的热通过载板有效扩散到腔体上以降低功放管到腔体的总热阻，防止功放管结温过高影响长期工作的可靠性，而不用关注两者之间的电连接质量，因此大大简化了模块的使用和安装要求同时可以使用绝缘导热界面材料才降低接触面的热阻。

以上仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本实用新型的限制，本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于PCB工艺的超宽带微波功率放大器模块，其特征在于，包括载板（11）和微波PCB（12），该载板（11）上焊接有钨铜合金片（13），该钨铜合金片（13）上焊接有功率管芯（14）；所述微波PCB（12）中部设置有安装槽（124），微波PCB（12）上布置有管芯的输入匹配电路（122）、管芯的输出匹配电路（123），微波PCB（12）还布置有输入匹配电路（122）与其它微带电路之间电连接的第一过渡连接线（125）和输出匹配电路（123）与其它微带电路之间电连接的第二过渡连接线（126）；所述钨铜合金片（13）和功率管芯（14）安放在安装槽（124）内；功率管芯（14）与微波PCB（12）上的电路导体带通过键合金丝或金带（15）连接。

2.根据权利要求1所述的基于PCB工艺的超宽带微波功率放大器模块，其特征在于，所述载板（11）为镀金的纯铜平板。

3.根据权利要求1或2所述的基于PCB工艺的超宽带微波功率放大器模块，其特征在于，所述载板（11）上加工有4个通孔（111）。

4.根据权利要求3所述的基于PCB工艺的超宽带微波功率放大器模块，其特征在于，所述功率管芯（14）衬底背面为整体镀金层，正面有镀金焊盘。

5.根据权利要求4所述的基于PCB工艺的超宽带微波功率放大器模块，其特征在于，所述载板（11）与钨铜合金片（13）通过金锗合金焊片共晶焊接。

6.根据权利要求5所述的基于PCB工艺的超宽带微波功率放大器模块，其特征在于，所述钨铜合金片（13）与功率管芯（14）通过金锡合金焊片共晶焊接。

7.根据权利要求1所述的基于PCB工艺的超宽带微波功率放大器模块，其特征在于，所述钨铜合金片（13）为矩形。

8.根据权利要求7所述的基于PCB工艺的超宽带微波功率放大器模块，其特征在于，所述安装槽（124）为矩形槽，该矩形槽的每个角上设置有圆弧外扩孔。

9.根据权利要求3所述的基于PCB工艺的超宽带微波功率放大器模块，其特征在于，所述微波PCB（12）的两端延伸到载板（11）外，微波PCB（12）延伸出载板（11）边沿以外的部分电路上有4个金属化过孔（121）。

10.根据权利要求9所述的基于PCB工艺的超宽带微波功率放大器模块，其特征在于，还包括腔体（2），载板（11）通过载板压紧螺钉（112）紧固在腔体（2）上，微波PCB（12）通过PCB压紧螺钉（126）紧固在腔体（2）上；载板（11）侧壁与腔体（2）之间预留有配合间隙（21）。